熱網及建筑物儲熱調峰過程熱用戶室溫動態特性研究

王魯東　李偉　郭玉瓏　胡喬良　左珊珊

摘要：利用熱網及建筑物儲熱特性實施的“熱電解耦”運行方式，是加深熱電機組調峰深度的有效途徑：熱網及建筑物儲熱后，研究熱電機組在不同環境溫度下熱用戶室溫的動態特性對熱電廠調峰具有重要意義。采用機組變工況模型、熱網及建筑物換熱模型，以某310MW直接空冷熱電聯產機組為研究對象，分析供熱期內機組在不同環境溫度下建筑物蓄放熱過程中熱用戶室溫變化的動態特性。結果表明：利用熱網及建筑物儲熱實施調峰，室外環境溫度在5℃到-5℃之間變化，建筑物室內溫度由20℃上升到24℃時，所需總蓄熱時間在282.01-390.22min之間；室外環境溫度在-5℃到5℃之間變化，建筑物室內溫度由24℃下降到18℃時，在純凝工況下所需總放熱時間在590.19-966.22 min之間，在最小功率工況下所需總放熱時間在851.86-1980.11min之間；室外溫度越高，總蓄熱時間越短，總放熱時間越長。

關鍵詞：熱電聯產；熱網及建筑物：儲熱；調峰；動態特性

文獻標志碼：A 文章編號：1674-5124（2018）05-0159-06

0引言

我國西北地區冬季熱負荷需求大，存在相當一部分熱電機組。如何解決光熱沖突、風熱沖突，從而減少棄光、棄風現象的發生，是可再生能源大規模并網的新形勢下面臨的重要問題。熱電機組的調峰問題，尤其是利用儲熱實現“熱電解耦”增加調峰深度的研究一直備受關注。

呂泉等提出通過配置儲熱裝置提高熱電機組調峰能力的方案，討論了配置儲熱后熱電機組的運行策略，并在此基礎上建立了計算配置儲熱后熱電機組調峰能力的數學模型，分析了其影響因素：于炎娟等提出基于雙線性模型的調度策略以開展熱電機組與蓄熱罐的協調運行策略，并通過算例說明此調度策略能夠高效利用蓄熱罐的蓄放熱能力，提高風電接納量與優化機組成本；畢慶生等提出利用熱網及建筑物儲熱來提高熱電機組調峰的運行模式，并通過相關算例計算出某工況下熱電機組的調峰深度：李平等介紹了基于建筑物與熱網熱動態特性的熱電聯合系統的構成方案，著重對比分析了考慮建筑物與熱網熱動態特性前后單日熱電聯產機組運行點的變化情況，給出了綜合考慮建筑物與熱網熱動態特性的熱電聯合調度模型：鄧拓宇等從控制的角度探討分析了利用熱網儲熱提高調峰調頻能力的控制方法：劉偉等根據機組歷史及氣象數據建立動態模型，求解供熱負荷發生變化時熱用戶室內溫度動態特性；樸政國、張曉娟等通過仿真，分別研究了儲能在光伏發電系統調峰中的控制策略并對系統進行了相關參數設計。

熱電機組供熱產熱量在一定范圍內變化，不會影響熱用戶體驗，供熱期適當調整用戶實際運行熱負荷，在電網調峰容量十分緊張情況下利用建筑物的蓄熱特性獲得更加深度的調峰容量具有可行性和可操作性。上述研究工作對增加熱電機組調峰深度做了有益探索，但是并未全面考查利用熱網及建筑物蓄放熱進行調峰過程中，熱用戶室溫隨蓄放熱時間變化的動態特性以及不同室外溫度下蓄放熱時間的變化規律。本文建立熱電聯產系統變工況模型，研究了熱用戶室溫隨蓄放熱時間變化的動態特性，以及不同室外溫度下蓄放熱時間的變化規律。

1利用熱網及建筑物儲熱調峰原理

圖1為熱電聯產機組系統示意圖，供熱期內，中壓缸供熱抽汽通過熱網加熱器將熱網回水加熱至所需溫度，并送到熱用戶中。

機組最小發電功率隨供熱抽汽量的變化如圖2所示，AB段為最小主汽流量工況曲線，A點為最小主汽流量下的純凝工況點，B點為最小主汽流量下最大抽汽工況點，同時其排汽流量為最小主汽流量下的最小排汽流量；BC段為最小排汽流量下機組強迫出力曲線，C點時機組主汽流量達到最大。一般情況下，機組供熱抽汽工況點落在BC段，室外溫度越低，用戶熱負荷需求越高，此時供熱抽汽量越大，機組最小發電功率越大，其調峰能力越差。

在風電等可再生能源出力低谷階段，機組可在傳統“以熱定電”模式的基礎上，適當提高電出力和熱出力，多余的熱量可儲存到熱網或建筑物內空氣中，使室內溫度適當升高；風電等可再生能源出力升高時，機組可在傳統“以熱定電”模式的基礎上，適當降低電出力和熱出力，在保證熱用戶體驗的前提下，使儲存在熱網及建筑物內的熱量得到釋放；受熱網及建筑物熱慣性影響，建筑物室內溫度變化緩慢，適當控制蓄放熱時間，既可使室內溫度在熱用戶可接受范圍內變化，同時也可達到增加調峰深度的目的。

2模型建立

2.1系統靜態模型

由熱平衡可知，不考慮熱力管網熱損失，室內溫度到穩定時，汽輪機中壓缸供熱抽汽凝結放熱量與熱用戶向環境散熱量相等，即：

1000G_c（h_e-h_s）=q_{A/sub>A（tn-tw） （1）式中：Gc——中壓缸供熱抽汽量，kg/s；}

h_e、h_s——供熱抽汽焓和凝結水焓，kJ/kg；

q_A——建筑物面積熱指標，W/（m²·℃）；

A——供熱建筑總面積，m²；

t_n、t_w——建筑物室內溫度和環境溫度，℃。

對于汽輪機側，各組采用改進的弗留格爾公式進行變工況計算：

2.2熱用戶室內溫度動態模型

蓄熱或放熱過程中，熱用戶室內熱平衡方程的微分形式為

3案例機組分析

本文以某地310MW熱電聯產機組為例，在考慮熱網及建筑物儲熱特性的前提下，依據所建立機組變工況模型與熱網及建筑物換熱模型，采用Matlab編程計算其在不同室外溫度下的調峰能力、建筑物室內溫度動態特性等，其中供熱期內，案例機組所在地室外溫度在-5～5℃之間變化，供熱面積為4×10⁶ m²；機組設計參數如表1所示。

3.1系統變工況模型驗證

本文采用Matlab編程建立汽輪機及熱力系統模型，根據各設計工況將鍋爐、汽輪機、凝汽器等設備元件參數進行多項式擬合，并嵌入到所編寫的程序中，進行供熱機組熱力系統計算分析。選取THA、50%THA兩種工況，對所建立模型的準確性進行驗證。

表2為編程計算結果與廠家熱平衡圖的對比。由表可知，THA工況下，編程計算結果與廠家熱平衡圖參數相對誤差最大值為0.13%，發電機功率相對誤差為-0.04%；50%THA工況下，編程計算結果與廠家熱平衡圖參數相對誤差最大值為0.36%，發電機功率相對誤差為0.02%：兩種工況下編程計算結果誤差很小，在工程允許范圍內。因此，模型可靠性較高，可以依據此模型做進一步分析。

3.2室外溫度對供熱抽汽量的影響

基于建立的熱力系統計算模型，計算供熱抽汽量與室外溫度的關系，其結果如圖3所示。可知室內溫度下，隨著室外溫度升高，熱負荷需求量減小，故供熱抽汽量逐漸減小，幾乎成線性變化：相同室外溫度下，室內溫度升高，熱負荷需求增加，供熱抽汽量逐漸增加。

根據相關文獻，建筑物室內溫度在18～24℃時，不影響熱用戶體驗，即抽汽點落在圖3中陰影部分時，建筑物室內溫度總在熱用戶可接受范圍內，此時對熱網及建筑物的蓄放熱時間沒有限制，但調峰深度增加量有限。為了更好地擴大調峰范圍，需要讓抽汽點落在陰影部分以外，但此種調峰方式需注意對蓄放熱時間的控制，使建筑物室內溫度保持在18-24℃。當抽汽點落在陰影部分下方時，需控制放熱時間，及時進行蓄熱，否則會造成建筑物室內溫度過低影響熱用戶體驗。同理，當抽汽點落在陰影部分上方時，應控制蓄熱時間，及時放熱。理論上，只要蓄放熱時間控制得當，抽汽點可在圖2中BC段任意變化，抽汽量越大，蓄熱過程時間越短，放熱過程時間越長。

3.3蓄放熱過程建筑物室內溫度動態特性

3.3.1蓄熱過程建筑物室內溫度動態特性

依據建立的建筑物室內溫度動態模型，計算熱網及建筑物以最快速度進行蓄熱時室內溫度隨蓄熱時間的變化，此時抽汽點對應機組最大抽汽工況點，即圖2中c點的狀態，其結果如圖4所示。由于大部分情況下室內溫度要保持在20℃，因此蓄熱過程動態分析時取室內初始溫度為20℃。

由圖4可知，室外溫度越高，建筑物向室外散熱越慢，故蓄熱過程室內溫度上升越快，相應蓄熱時間越短，室外溫度分別為5.0，-5℃時，建筑物室內溫度由20℃上升到24℃所用時間為282.01，327.40，390.22min；同一室外溫度下，建筑物室內溫度隨蓄熱時間幾乎成線性變化。

為了更直觀地展示蓄熱時間與室外溫度的關系，現計算出以最快速度進行蓄熱時各室外溫度下建筑物室內溫度由20℃上升到24℃所用時間（總蓄熱時間），結果如圖5所示。圖中結果進一步說明了室外溫度越高，所需的總蓄熱時間越短：隨著室外溫度的升高，總蓄熱時間的變化率有小幅減小。需要說明的是，由于熱網熱慣性的存在，電廠做出調整動作后，過一段時間建筑物室內溫度才開始發生變化，因此應根據需要提前預測未來短時間內機組功率，并尋找合適時機將蓄熱開始時間及結束時間提前，否則會因蓄熱量不足影響調峰效果或者蓄熱時間過長使室內溫度高于24℃影響熱用戶體驗。

3.3.2放熱過程建筑物室內溫度動態特性

依據建立的建筑物室內溫度動態模型，計算切斷供熱抽汽時（純凝工況）和機組處于可達的最小發電功率工況下（圖2中B點對應的工況），室內溫度隨放熱時間的變化：由于沒有熱源向建筑物及熱網輸送熱量，故機組在純凝工況下運行，建筑物室內溫度下降最快。一般放熱過程是在蓄熱過程之后，因此取放熱過程的建筑物室內初始溫度為24℃，室內溫度降到18℃時停止放熱過程。計算結果如圖6所示。

由圖6可知，室外溫度越高，建筑物向外界散熱速度越慢，故放熱過程中室內溫度下降越慢，相應放熱時間越長，室外溫度分別為-5，0，5℃時，純凝工況下建筑物室內溫度由24℃下降到18℃所用時間為590.19，732.47，966.22min，最小發電功率工況下所用時間為851.86，1 187.20，1 980.11 min；同一室外溫度下，建筑物室內溫度隨放熱時間幾乎成線性變化。

同樣，為了更直觀地展示放熱時間與室外溫度的關系，現計算出放熱過程中純凝工況及最小功率工況下，各室外溫度下建筑物室內溫度由24℃下降到18℃所用時間（總放熱時間），結果如圖7所示。

結果進一步說明了無論是純凝工況還是最小功率工況運行，室外溫度越高，所需的總放熱時間越長；隨著室外溫度的升高，總放熱時間的變化率有小幅增加；相比于純凝工況，由于有少量供熱抽汽為熱網及建筑物提供熱量，因此相同室外溫度下，最小功率工況總放熱時間總是大于純凝工況。值得注意的是，即使在室外溫度-5℃時且機組以純凝工況運行的情況下（此時為放熱時間最短的情況），總放熱時間也將近10h，充分說明利用熱網及建筑物儲熱的方式進行調峰，熱電廠有相當長的時間去保持有效的調峰深度。

同樣，由于熱網熱慣性的存在，電廠做出調整動作后，過一段時間建筑物室內溫度才開始發生響應，因此應根據需要把握好放熱時間及結束放熱過程的時機，否則會因放熱時間過長造成建筑物室內溫度低于18℃，影響熱用戶體驗。

4結束語

以我國某地區供熱機組為研究對象，考查利用熱網及建筑物儲熱調峰過程中熱用戶的蓄放熱特性，結論如下：

1）利用熱網及建筑物蓄熱進行調峰，蓄熱過程中，室外溫度在5℃到-5℃之間變化，建筑物室內溫度由20℃上升到24℃時，熱用戶總蓄熱時間在282.01～390.22 min之間：室外溫度越高，總蓄熱時間越短。

2）利用熱網及建筑物蓄熱進行調峰，放熱過程中，室外溫度在-5℃到5℃之間變化，建筑物室內溫度由24℃下降到18℃時，純凝工況下，熱用戶總放熱時間在590.19～966.22 min之間；最小功率工況下，熱用戶總放熱時間在851.86～1 980.11 min之間；室外溫度越高，總放熱時間越長。

3）利用熱網及建筑物蓄熱進行調峰，最短總放熱時間將近10h，充分說明利用熱網及建筑物儲熱的方式進行調峰，熱電廠有相當長的時間去保持有效的調峰深度。

（編輯：李剛）